[PPT]沥青路面结构及质量控制技术176页（结构组合设计 级配设计）_ppt

1、沥青路面结构及质量控制技术 xx道桥建设集团有限公司主要内容：第一部分 高性能沥青路面典型结构组合设计第二部分 路面材料质量控制标准与管理 第三部分 工程设计级配与沥青混合料设计方法的改进第四部分 提高路面抗车辙性能的施工实践一、高速公路路面早期破坏原因及分析 2001年，交通部组织专家对高速公路达1000公里省份进行调查路面早期破坏现象主要形式： （1）路面坑槽与剥落 （2）路面车辙与推挤 （3）路面网裂与唧浆 （4）路面水损害破坏第一部分 高性能沥青路面典型结构组合设计路面早期破坏的主要原因: （1）沥青与路面集料质量波动与管理失控 （2）沥青混合料设计方法存在不足 （3）路面结构厚度组合

2、与工程级配设计不当二、我国沥青路面结构类型使用分析 1. 目前我国沥青路面的典型结构 二级公路一级、高速公路沥青面层总厚90120mm表面层2540mm沥表面层总厚150180mm表面层4050mm中层面5070mm下面层2540mm下层面6080mm基层水泥、石灰、粉煤灰稳定碎（砾）石：200400mm底基层水泥、石灰、粉煤灰稳定碎（砾）石：150350mm路面结构总厚390700mm700900mm2. 关于半刚性基层的适应性 反射裂缝难以避免结构内部排水不畅结构厚度计算以设计弯沉为控制指标设计参数属静态指标国家指导或钢领性规范与地方规范标准 国外采用的沥青稳定碎石基层有两种结构: 一种是

3、空隙大于15%18%的开式沥青混合料，代表性结构为铺筑在沥青的底部的排水式沥青稳定基层(asphalt-treatedpemeblebase,ATPB)； 一种是公称最大粒径大于19mm（大部分大于26.5mm）的密级配沥青混合料，其空隙率最多宽到不大于8%10%，粒径大于37.5mm的特粗式沥青稳定碎石混合料也称为大粒径沥青混合料（large-stone asphalt mixes）。 也就是说，在我国，沥青碎石混合料有三种： （1）我国传统上的半开级配沥青碎石（规范中的AM类），空隙率较大，通常在10%以上，其公称最大料径有小有大，没有限制 ，它只用于表面封水比较好的低级公路的下面层，不宜

4、在高等级公路中使用。 （2）用于碎石基层上面的密级配沥青稳定碎石基层（空隙率常为3%8%,日本为3%12%），其粒径一般大于26.5mm，实际上相当于粗粒式沥青混凝土。国外的大粒径沥青混凝土也属这一种，称为ATB。 （3）用于碎石基层上面的大空隙排水式开级配沥青稳定碎石基层（空隙率常大于18%），基粒径一般大 于26.5mm。我国已经开始铺筑试验段，国外称为ATPB. 3. 复合式路面结构组合设计 碾压混凝土+水泥混凝土 （RCC+PCC） 水泥混凝土+沥青混凝土 （PCC+AC） 水泥混凝土+沥青混凝土 （PCC+AC） 3.1 RCC+AC技术 上世纪末，美国高速公路扩宽改造已大量采用此种

5、技术，欧洲西班牙、英国和日本已形成技术指南和规范。我国几乎也是同时起步研究，通过试验路，同时在河南、厦门等地的应用，已初步形成复合式路面施工成套技术。国内适宜采用的RCC+AC典型结构： 一级、高速公路: 2025cm RCC+1012cm AC 一级、高速公路： ACRCC半刚性基层1012cm2025cm20cm 一般国省道: 2025cm PCC+1012cm AC 一般国省道： ACPCC半刚性基层58cm1820cm1820cm3.2 PCC+AC技术 我国公路大修改造工程中，对旧水泥混凝土路面（简称PCC）通常采用加铺罩面沥青混凝土（简称AC层）。这种旧水泥混凝土路面加铺AC层的复

6、合式路面结构主要特点和影响因素有： （1） 加铺厚度组合受到一定限制； （2） AC层应当具有较强的整体抗剪切能力及抗车辙 能力； （3） AC层应当具有较强的抵抗来自旧混凝土板反射 裂缝能力； （4） 工程造价与投资规模受到一定控制。 目前，国内外加铺层设计方法一般有三种：有效厚度法、挠度法、与力学经验法。在美国AASHTO设计指南提供了基于有效厚度法的较完善的设计方法。该方法根据交通调查和预测确定加铺路面的结构能力，以此来计算满足此结构能力的混凝土路面厚度，然后根据加铺前的路面调查状况确定原混凝土路面的有效厚度，由此计算所需加铺的混凝土路面厚度，最后根据混凝土与沥青混凝土厚度转换系数确定沥

7、青加铺层的厚度。挠度法是以路面挠度与加铺层厚度之间的关系为基层来验算得出加铺层厚度，美国地沥青协会、加拿大道路和运输协会、英国等都应用过此方法。 力学经验法是用力学模型确定现有路面和加铺层路面的极限应力、应变或挠度，利用一些经验破坏准则预估由交通和环境引起的损伤，评估旧路面状况或剩余寿命，由此得出加铺层的厚度。综上所述，旧水泥混凝土路面加铺沥青罩面层的设计方法完全基于理论计算的几乎没有，大部分是经验法。因此，在根据计算结果分析和参考现有其他设计方法的基础上，提出基于有效厚度的设计方法。 这一方法的基本概念是加铺层所需的厚度是新路面所需厚度与旧路面有效厚度之差： holL（hnhe） （ 1-1

8、） 式中： holAC加铺层厚度； hn新路面厚度； he旧路面有效厚度； L应力吸收层系数 此处hn是指全厚式沥青路面的厚度，即直接铺筑在土基上的沥青厚度。在已知土基计算回弹模量和荷载参数时其值可通过弹性层状体系理论求得，也可通过程序软件计算得到。旧路面有效厚度的计算是将各层实际厚度乘以换算系数并求和得到： he hiCi （1-2） 式中：he旧路面有效厚度； hi和Ci第层的厚度和换算系数， Ci可按表1-1选取 确定旧路面有效厚度所用的换算系数 表1-1材料分类材料描述换算系数在任何情况下的天然土基改良土基，以粒状材料为主，可含一些粉土或粘土，为10或10以下；石灰改良高塑性土基，大于

9、10 0粒料底基层或基层，级配较好，硬集料，含少量CBR不小于20的塑性细颗粒。如为6或6以下采用最小 值0.10.2水泥或石灰、粉煤灰温度低塑性土底基层，为10或10以下0.20.3乳化沥青或稀释沥青面层和基层，呈现大量开裂、很多剥落或集料粉碎，轮迹处明显变形，失去稳定性；波特兰水泥混凝土路面（包括沥青面层下的混凝土路面），在加铺前已破碎成最大尺寸为0.6m或更小的碎块；如有底基层采用大值，如面板铺设在土基上，则用小值；水泥或石灰、粉煤灰温度基层，反射裂缝已有所发展；如裂缝狭而紧密用大值，如裂缝宽、唧泥或明显不温度则用小值 0.30.5 沥青混凝土面层和基层，有明显的开裂和裂纹；乳化沥青或稀

10、释沥青面层，有细裂纹，有些剥落或集料粉碎，轮迹处有少量变形，但还稳定；水泥混凝土路面（包括沥青面层下的混凝土路面）明显开裂和错台，且无法有效封底，板断裂成约14m2 大小，并用重轮胎很好碾压稳固在土基上 0.50.7沥青混凝土面层和基层，有少量细裂缝，轮迹处有小的间断裂纹和少量变形；乳化沥青或稀释沥青面层和基层，温定，一般无裂缝，无乏油，轮迹处有小变形；水泥混凝土路面（包括沥青面层下的混凝土路面），稳定，有底封层，有些裂缝，但无小于约1m2 的小块 0.70.9沥青混凝土，包括沥青混凝土基层，一般无裂缝，轮迹处有小的变形；水泥混凝土路面，稳定，有底封，一般无裂缝；水泥混凝土基层，位于沥青面层下

11、，稳定，无唧泥，面层有少量反射裂缝 0.91.0 采用应力吸收层能很好地缓和裂缝区加铺层底的不利应力，因此在达到相同加铺层使用寿命前提下，使用该层可减小沥青加铺层的厚度。为此，在设计中引入了应力吸收层系数的概念。考虑安全性，对于沥青橡胶类应力吸收层取0.8。 按式11求得的加铺层厚度还应满足最小厚度要求。 美国旧混凝土路面上加铺AC层的最小厚度，考虑了施工、AC混合料最大集料尺寸、交通量及投资等多种因素。美国联邦公路局的调查结论表明，AC层的最小厚度为3in（7.6cm）。根据近今年河南、广东、湖南等省的试验路初步结果，综合考虑施工水平、AC层抗反射裂缝、抗车辙能力以及投资等因素，建议我国旧水

12、泥混凝土路面加铺AC层的最小厚度为：高速公路、一级公路为8cm，二级公路为7cm。 根据我国近今几年公路大修改造项目的施工实践，通过对已建成或通车的大修改造工程使用情况的调查分析，旧水泥混凝土路面加铺AC层的复合式路面结构设计可根据不同公路等级、交通量组成特征及气候环境选用以下典型结构，见表12：我国（PCC+AC）复合式路面推荐典型结构（建议） 表12第二部分 路面材料材料质量控制与管理1. 关于改性沥青标准 我国标准： 按针入度（粘度）指标进行分级。 即：SBS、SBR、EVA、PE按四级划分。 分级指标：针入度或针入度指数 PI、延度、 软化点但不能回答适应气候条件及交通荷载条件 美国的

13、PG等级： 根据沥青的高、中、低温粘弹特性，按照路面的 最高与最低设计温度，并结合交通条件来确定沥 青的性能等级。按高分子聚合物的不同,我国将改性沥青分三类： （1）橡胶类：SBS （2） 热塑性橡胶类：SBR、SIS （3） 热塑性树脂类：PE、EVA 美国superpave中，按高、低温6 为一等级： 高温等级： T20mm（Tair0.00618Lat+0.2289Lat+42.2)0.954517.78 T20mm 路面设计高温 Tair1520年每年连续7天高温平均按98概率的统 计 Lat地理纬度 设计低温按最低平均气温的统计值计取 . 对改性沥青应考虑储存性能指标 主要检验软化点

14、差 试验表明：当第3天，达到极值，第9天已超过允许值，因此，不超过四天贮存改性沥青储存性能衰减变化规矩试验，根据同三线全线均采用成品改性沥青供应的现状，对壳牌SBS改性沥青进行储存性能变化规律试验研究，试验成果汇总见下表1和图一： 表2-1 同三线SBS改性沥青离析试验汇总表由上表4分析可知，改性沥青贮存时间在第3天时软化点，离析差已达到允许极值，当贮存时间达到第9天，已超过允许值，因此，在工地现场，改性沥青贮存时间不宜超过4天，若超过4天，需对改性沥青主要指标重新进行检测，当贮存时间超过9天，改性沥青将舍弃，即降等级使用。序号存放时间(163 )2天3天4天5天6天7天9天12天15天30天

15、1顶部84.580.385.985.584.485.784.786.28787.32底部85.382.887.387.28686.187.387.187.788.53软化点差()0.82.51.41.71.60.42.60.90.71.2 由上表2-1分析可知，改性沥青贮存时间在第3天时软化点，离析差已达到允许极值，当贮存时间达到第9天，已超过允许值，因此，在工地现场，改性沥青贮存时间不宜超过4天，若超过4天，需对改性沥青主要指标重新进行检测，当贮存时间超过9天，改性沥青将舍弃，即降等级使用。 2. 路面集料加工性指标的讨论 目前，沥青路面已成为我国高速公路和重交通道路主要路面结构类型。在我国

16、高速公路罩面大修与国省道高等级公路大修改造工程建设中，沥青路面发生早期破坏现象屡见不鲜。沥青路面早期破坏形式主要表现为二类。一类为雨季后出现的水损害，一类为高温季节出现的车辙。沥青路面早期破坏发生的原因应当说是多方面的，但是路面集料的质量管理失控是其主要原因之一。集料质量差是目前公路大修改造工程建设中比较严重的问题，突出的表现为：材料不洁净、粉尘多、针片状含量超标、级配不规格等。我国工程建设中的路面集料大多数取自社会料场，各料场质量、规格参差不齐，使用时离析严重，混合料级配波动误差大，因此，加强现场集料加工质量的控制，这是提高和保证路面使用性能的重要措施。 在现行规范关于集料指标的技术要求中，

17、按其性质可分为二类：一类是反映材料来源的“资源特性”，即材料的天然特性，它是石料产地所决定的，如密度、压碎值、磨光值等。另一类是反映加工水平的“加工特性”，如石料的级配组成、针片状含量、棱角型、砂当量、亚甲蓝值、细粉含量等。属于“资源特性”的指标往往受到产地和成本的制约，可选择和变更的余地不大。因此，正确理解与合理选择集料的加工性指标，且在施工现场从严控制，这是加强路面集料质量管理的重要内容。 2.1 粗集料针片状颗粒含量指标的取值与试验 路面集料中的细长扁平形状的针片状颗粒对沥青混合料的性能有重大影响。由于针片状颗粒很容易在施工过程中被刚性轮碾压和振动碾压所粉碎、折断，施工性能极差，而且在沥

18、青混合料内部遗留下相当数量没有被沥青膜裹覆的折断面，成为混合料内部的微裂缝。这些微裂缝将使沥青路面在受力作用时产生应力集中而导致裂缝扩展开裂。 集料的针片状颗粒含量与石质有关，越坚硬的石料越容易产生针片状颗粒。而针片状颗粒的数量更取决于破碎设备的类型。压碎式的颚板式破碎机生产的碎石中针片状颗粒含量较多，撞击破碎的冲击式破碎机、锥式破碎机则要少得多。即使同样为打击式破碎机，但锤重、锤的数量、打击频率对针片状颗粒的数量也有较大影响。 因此，粗集料针片状颗粒含量是集料的一个重要指标，试验结果表明，针片状颗粒在施工中和在交通荷载作用下容易破碎，路面集料的破损情况与粗集料的针片状颗粒含量关系密切。关于测

19、定方法，我国公路工程集料试验规程（JTG E422005）已明确规定，对于沥青混合料及基层、底基层集料统一采用游标卡尺量取，而规准仪适用于水泥混凝土集料。 关于采用什么样的指标标准来评价粗集料针片状颗粒含量问题，在SUPERPAVE中仅规定1：5一个标准，要求在交通量大于100万辆的路段不得超过10%。但实际上小于1:5的颗粒含量很少，所以研究认为以1:3或1:2来评价针片状颗粒含量比1:5要好。尽管对粗集料的规定中有1：3和1：5两个不同标准的要求，但实际上只有1：3的有用，并且要求针片状颗粒含量小于20%。 上世纪90年代，在我国，采石场集料破碎机械仍比较落后，针片状颗粒含量超标的问题非常

20、突出，所以在制定规范时对此指标的争议较大，当初在制订公路沥青路面施工技术规范（JTJ032-94）时要求不大于15%，是出于促使我国集料加工水平的目的从严要求，为了达到此要求，必须改变破碎设备有颚板式破碎为锤击式才有可能。后来公路沥青路面设计规范（JTJ014-97）的条文说明中又提到要求粗集料的针片状颗粒含量应不大于10%，据施工单位反映，此要求有时实在难以达到，即使达到要求，但粗颗粒的棱角性损失较多，因此根据国外标准和我国的具体情况，目前仍维持要求小于1：3比例的颗粒含量必须不大于15%的要求是合理的。即要求小于1：3的比例的颗粒含量不大于15%。 沥青混合料用粗集料质量技术要求 表2-2

21、 我国现行的施工技术规范针对不同等级、不同层次的集料针片状颗粒含量做出了规定，见表2-2。 在规范规定的技术要求中，加工性指标具有双重作用。首先它是针对采石场生产的每一种集料规格的，用以检验集料是否合格，达不到要求的就是不合格产品，但对施工单位来说可以理解为对工程所使用的集料混合料而言。Superpave也规定“集料标准不是针对个别集料而是针对集料混合料的”，所以，只要综合的指标合，也容许在工程上使用，因为对针片状颗粒含量、砂当量等指标，有的集料规格难以达到，有的则容易符合要求，工程上允许采用按实际比例配制的集料混合料来评价这些指标是否合格 例如，某工程沥青混合料采用1020mm、510mm两

22、种粗集料，在配合比中的比例为39：22（其余为细集料），通过对拌合场料堆指标检测结果这两种集料针片状含量分别为12.2%和16.1%。作为采石场的产品而言，510mm的集料不符合要求，应当要求改进生产方式，提高质量，另一方面，也允许将两种集料按配合比例计算集料混合料针片状含量，即混合料针片状含量为（3912.2+2216.1）/（39+22）=13.6%，符合不大于15%的要求，可见，作为集料混合料针片状含量是合格的。 2.2 细集料棱角性评价指标与试验方法 细集料棱角性指标对于沥青混合料施工性能和使用性能起着至关重要的作用。如何评价细集料的表面粗糙程度、棱角性、以前没有标准方法。测定棱角性的

23、设备简图如图2-1。 图2-1 棱角性测定设备 棱角性试验方法是将干燥细集料试样通过一个标准漏斗，漏入一个经标定的圆筒，由圆筒体积V、细集料质量m、细集料的毛体积密度，可以计算细集料的空隙率： 未压实细集料空隙率=（Vm）V100% 此空隙率即作为棱角性指标。通过砂的粗糙程度试验方法，可以评定天然砂、人工砂、石屑等细集料颗粒的棱角性、表面构造，预测细集料对沥青混合料的内摩擦角和抗流动变形性能的影响。所以是描述细集料性能的重要指标。 关于细集料棱角性指标的取值，Superpave中规定在不同交通量的路段、处于不同层位的细集料棱角性应符合表2-2的要求 道路交通量（百万辆ESALS） 距路表下深度

24、(mm)1000.31.040%3.040%40%1045%40%3045%40%10045%45%10045%45%表 2-2 在第十七届道路工作会议上，法国标准AFNOR NFP18564/1981规定的流值试验方法的到了肯定，并建议各国采用此法。 细集料粗糙度测定仪简图见图2-3 图2-3 细集料粗糙度测定仪 细集料试样按最大粒径不同选择2.36mm（适用与天然砂 或03mm石屑）或4.75mm（适用于05mm石屑或人工砂） 的标准过滤筛，烘干后取1kg试样从圆筒中央开口倒入漏斗，表面倒平。打开漏斗开启门，记录细集料从漏斗中全部流完的时间，即为细集料的粗糙度。此时间欧美通常直接称为砂的流

25、值（Flow），我国为马歇尔试验的流值相区别起见，根据其含义称为粗糙度。 以上两种细集料棱角性试验方法的意义是一样的，并且都已收入我国的集料试验规程。我国现行规范推荐欧洲的流动指数作为细集料棱角性评价指标。结合我国不同等级不同交通量的公路大修改造工程的实际情况，在细集料棱角性合格性评价中，可同时采用两种指标检验，见表2-3。 细集料棱角性评价指标（建议） 表2-3 项目高速公路、一级公路 试验方法交通量2000万轴次交通量2000万轴次棱角性不小于（%）4540T0344粗糙度不小于（%）3030T03452.3 矿粉填料指标与使用质量控制 在沥青混合料中，矿料填料（Mineral Fille

26、r）通常是指矿粉。矿粉在沥青混合料中的作用非常重要。沥青只有吸附在矿粉表面形成薄膜，才能对其他粗、细集料产生粘附作用。所以，矿粉的作用就是吸附沥青。缺乏矿粉，就如沥青碎石混合料，沥青加多了，必然会产生流淌现象，故它的沥青用量很小。真正起到沥青混合料结合料作用的，不是沥青混合料，而是沥青矿粉胶泥混合料。粗、细集料是通过沥青矿粉结合成为一个整体的。这是矿粉的最基本的作用。因此，矿粉与沥青的粘附性好坏是评价矿粉质量的首要因素。普通沥青混合料使用的填料，除了磨细石灰粉之外，有时还采用水泥、消石灰、粉煤灰代替矿粉，表2-4列出了几种填料的性质。 不同填料的性质 表2-4 在这些填料中，玄武岩粉与沥青的粘

27、附性要比石灰岩粉差得多，是不宜作沥青混合料填料的，水泥厂熟料和消石灰有相当数量的可溶成分，并有一定的活性，易形成水泥石和碳酸钙，过度使用会使沥青混合料变脆，所以应限制使用。另外，我国粉煤灰质量因电厂不同及排放管理原因，差别很大，所以，在高等级公路中的填料不宜使用。 我国现行规范明确规定：沥青混合料的矿粉必须采用石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等憎水性石料经磨细得到的矿粉，并对其使用质量提出了要求，见表2-5 沥青混合料使用矿粉质量要求 表2-5项目单位高速公路、一级公路其他等级公路试验方法表观密度t/m3其他等级公路2.5T0352含水量%2.51T0103烘干法粒度范围0.6mm%2.5100T

28、0351粒度范围0.15mm%190100T0351粒度范围0.0.075mm%175100T0351外观100亲水系数1001T0353塑性指数%90100T0354加热安定性90100T0355 与国外的标准相比，我国对矿粉的要求几乎只有细度指标。欧洲标准对矿粉规定了大量的指标，除细读、含水量外，还要求进行亚甲蓝试验，压实干矿粉的孔隙率，环球法软化点差TRB、矿粉的水溶性、水敏感性、氢氧化钙等。CEN还采用矿粉的“沥青数”（Bitumen、Number）评价它与沥青的粘附性。在日本，矿粉还要求进行遇水膨胀、抗剥离性能，受热变质及流值等多种试验。因此，我国应重视对矿粉的技术研究工作。 对干法

29、除尘的集尘布袋所回收粉尘的使用问题，国内要求不得使用回收粉尘，其理由是回收粉中含有不少的尘土，同时粗、细集料的石粉经过明火燃烧，高温处理，会变得发脆。我国北京地区在路面的大修工程中，对矿粉与回收粉的使用效果进行了对比试验，见表2-6。矿粉与回收粉对SMA混合料性能的影响 表2-6混合料类型沥青种类填料种类填料用量（%）马歇尔试验动稳定度（次/mm）稳定度（KN）流值（mm）空隙率(%)SMA-10改性沥青矿粉回收矿粉62504.092.7210.6911494.992.888.81254007.502.614.163053.742.7597294.483.771222625.462.46 从表

30、中试验结果可见，由于使用了回收粉，车辙试验的动稳定度和马歇尔稳定度都比使用矿粉的要低得多，因此，在沥青混合料填料使用回收粉时要慎重，现行规范也对使用回收粉作出了限制，即每盘用量不得超过填料总量的25%，掺有回收粉的填料塑性指数不大于4%。 2.4 路面集料加工料场管理措施的建议 根据施工现场调研情况,目前,沥青路面集料加工料场基本上是由路面施工单位在沿线购买或与沿线已有的碎石场合作开采。由于地方料场的设施简单，路面施工单位在这方面的资金和设备投入不足，所以，合格的路面集料大规模供应难以保证，尤其到了路面施工后期，集料的供应计划往往无法落实，只好采取大量收购，这就导致了集料质量波动较大，在施工进

31、度的压力下，质量检测工作严重失控，这种现象目前在大型公路建设项目中是较为普遍存在的。为此，必须在料场管理模式和合同管理方面采取切实可行的措施来确保路面集料质量和稳定供应。 1.在项目施工图设计阶段，设计单位应加大沿线筑路材料调查深度，同时提交路面集料料场调查试验专项设计成果，为项目业主单位制定整个项目路面集料生产供应规划提供可靠依据。 2项目业主单位与沿线地方公路管理部门共同协商，采取路面集料加工与供应共同管理模式，在指定的若干个路面集料加工料场加工生产设备、生产规模能力、集料规格质量，包括谁被资金投入和供应价格等方面签订相关协议，确保整个项目路面集料的稳定供应。 3在路面工程招标中，项目业主

32、单位与中标施工单位合同谈判时，应就路面集料指定供应及合同单价等列入专项条款，并就路面集料分阶段分批质量检测程序及责任划分等，制定专门的质量管理条例或规定。 4加强加工料场及拌和站堆料场的各种集料防污染和防雨措施，对于材料堆放场地应有规划设计，场地必须硬化，应有通畅的临时排水设施，备料堆之间应设置隔墙，细集料应有防雨措施，矿粉堆放必须要有防潮设施。 第三部分 工程设计级配与沥青混和料设计方法的改进3.1 沥青混合料设计参数与试验方法的修订 沥青混合料设计的主要任务是根据工程项目沿线的气候与交通荷载条件，选择适合的沥青结合料与集料，并按照合理的设计方法把这些材料组合起来，使竣工的沥青路面性能满足气

33、候与交通荷载条件的要求。沥青混合料设计方法均采用体积设计法和体积分析法。 热拌沥青混合料（HMA）设计的目标，应使路面混合料具有以下优良性能： （1）抵抗永久变形能的力 在交通荷载的反复作用下沥青混合料不应被破坏或发生位移。在炎热季节沥青结合料粘度降低，交通荷载主要由集料结构承受时，抵抗高温永久变形（车辙）就成为关键。永久变形抗力是靠选择品种优良、级配合适的集料，选择性能优良的沥青结合料与混合料中存在适当空隙率来进行控制的，当路面混合料的空隙率小于3%时，发生永久变形的概率将增高，当空隙率小于2%时将显示极度的塑性流动。混合料抵抗永久变形的能力可用轮辙试验与蠕变试验来进行评价。 （2）疲劳开裂

34、抗力 在正常情况下疲劳开裂（表现为龟裂或网裂）是沥青路面已经承受设计轴载作用次数的标志。是沥青路面结构设计的一项主要标准。如果疲劳开裂出现于设计末期，则表现路面结构设计是成功的。如开裂发生比设计期早得多，则原因可能是对交通荷载估计不足，结构设计不当或沥青混合料设计不当。克服疲劳开裂的途径是：充分考虑设计期的累计标准轴载数量；保持土基干燥；采用较厚的路面结构；采用受潮后不过度变弱的路面材料。沥青混合料设计上在于选择具有良好弹性与柔韧性的沥青混合料，主要由满足沥青结合料的劲度上限来实现。足够的沥青含量也是必要的。沥青混合料的疲劳抗力是通过常应力或常应变重复荷载疲劳试验进行评价的。 （3）低温开裂抗

35、力 该特性在低温寒冷地区很重要。低温开裂是由不利的环境条件引起的，而与交通荷载无关。低温开裂因沥青路面在寒冷气候发生收缩并受到下层路面的约束，而在路面层中形成拉应力，当路面某点的拉应力超过其抗拉强度时，则沥青层发生开裂。在突然冷却过程之中或之后的降温时，最易发生低温开裂。低温开裂最初由一次低温的单循环引起，但通过多次低温循环的重复得以发展。路面低温开裂的表现形式为按一定间距发生的横向位移。沥青结合料在低温开裂方面起关键作用。因此在混合料设计时，必须选择柔韧性好、不易老化的较软结合料，并控制混合料空隙率及密实度以避免结合料过度老化。密度低、空隙率高的混合料将加速沥青路面在服务期的老化。 （4）耐

36、久性 要求混合料含有足够的沥青结合料含量，保证在集料颗粒周围有适当的膜厚，进而减小混合料在施工过程与服务期间的老化。压实混合料不应有很高的空隙率，混合料的高空隙率不仅增大渗水性，而且会加速老化过程。 （5）水损害抗力 一些HMA混合料在受水的影响时，在集料表面与沥青结合料之间将失去粘结性。虽然某些沥青胶结料容易造成水损害（剥落），但集料特性是这一现象的主要原因。如果HMA容易造成剥落，则应使用抗剥落剂。在混合料设计时，控制混合料空隙率，使混合料不渗水，可将问题大大减小。混合料水敏感性的评价方法，以RootTunnicliff水敏感性试验，即AASHTO T283方法最好。其特点是试件压实到相当

37、于路面竣工时可接受空隙率7%1%的相对不利情况，一组试件按规定进行真空饱水与冻融处理，另一组试件在室温下保持干燥。对所有试件进行间接抗拉强度试验，要求抗拉强度比TSR70%80%。 （6）抗滑性 这项要求只适用于上面层（磨耗层）混合料，上面层混合料一定要设计得能对因转弯与制动产生的滑溜提供足够抗力。集料的特性如构造、形状、尺寸与抗磨光性能都是抗滑的主要因素。竣工路面的表面构造深度是高速行车时抗滑性的主要标志。因此，混合料不应含过多的沥青结合料，这将会引起路面泛油并产生光滑表面，从而丧失抗滑性 （7）施工和易性 混合料必须能用合理的工作量进行摊铺与压实现今在室内混合料设计阶段，尚无试验方法能对施

38、工和易性进行定。但是对混合料设计进行适当调整可以迅速克服施工和易性问题 3. 1.1 马歇尔设计方法存在的问题 我国热拌沥青混合料配合比设计采用以马歇尔试验设计方法，并对设计的沥青混合料进行浸水马歇尔试验作为水稳定性检验及车辙试验作为抗车辙能力检验。对于沥青棍合料设计，马歇尔设计方法与国际上较先进的混合料设计方法比较，存在着概念上和程序上的不足和缺陷。 关于最佳级配的确定 事实上，我国在进行沥青混合料马歇尔设计时，没有一个选择级配的概念。当进行配合比设计时，千方百计的调整级配计算，使合成级配尽可能符合规范规定的中值。如果将各级混合料的级配中值点在0.45次方级配图上，可以发现大多数级配的中值接

39、近最大密度线。事实上，随着交通量的增长，轴重的轮胎气压的增加，接近最大密度线的混合料使用性能不一定是最好的。也就是说，用级配中值设计的混合料不一定是最佳的混合料。 关于体积计算体系 我国沥青混合料体积计算体系中，计算压实混合料的空隙方法用的水重法，测量的是压实混合料的视密度，而Superpave设计方法采用的是饱和面干毛体积密度，因此，用我国马歇尔方法计算出来的空隙偏小。另外，马歇尔方法最佳沥青用量计算中没有考虑骨料孔隙吸收沥青，也即没有一个有效沥青的概念，这就有可能导致沥青用量偏少，引起粘接力不足和耐久性差的后果。 沥青老化对于相对密度和空隙的影响 混合料设计应尽可能模拟实际情况，包括沥青老

40、化。实际生产中，从混合料拌制到摊铺压实完成，一般需要24h时间。因此，实验室在体积分析时也应有一个老化程序，因此得出来的体积参数与实际相差较大。对不同老化时间和不同吸水率的集料作过对比试验，见表3-1。 表3-1序号混合料类型和沥青用量试验在143烘箱中的时间（h）012381沥青设计用量7.5%吸收沥青%0.060.951.041.201.45砾石吸水率1.92%最大相对密度2.2612.3032.3082.3152.327磨耗层空隙率%0.532.352.562.853.352沥青设计用量7.5%吸收沥青%0.280.841.011.201.37砾石吸水率1.92%最大相对密度2.2882

41、.3162.3242.3332.342磨耗层空隙率%0.441.641.982.352.733沥青设计用量7.5%吸收沥青%0.000.470.50.630.85砾石吸水率1.92%最大相对密度2.3302.3622.3632.3702.382磨耗层空隙率%1.392.732.763.063.544沥青设计用量7.5%吸收沥青%0.420.921.141.411.48砾石吸水率1.92%最大相对密度2.2882.3102.3202.3332.336磨耗层空隙率%1.492.432.853.393.5 从表3-1可以看出，即便是吸水率小于2的集料，老化2h后吸收沥青的数量可达到0.51.0，因此

42、，不管集料吸水率是否小于2，都应当考虑集料孔隙吸收沥青的数量。 3.1.2 沥青混合料体积参数分析 3.1.2.1 混合料体积参数定义 矿质集料表面是多空隙的，并能不同程度地吸收水分和沥青，而且水分和沥青的吸收率随每一种集料的不同而异。因此，对集料的三种不同比值，即毛体积相对密度、视相对密度和有效相对密度的测试方法分别作了考虑。 （1）毛体积相对密度单位体积的可渗透材料（在正常情况下材料体积包括可渗透空隙与不可渗透空隙）在规定温度在空气中的质量，对相同体积同一密度的无气蒸馏水在规定温度在空气中质量的比值，见图3-1所示。 （2） 视相对密度单位体积的不可渗透材料在规定温度在空气中的质量对相同体

43、积同一密度的无气蒸馏水在规定温度在空气中的质量的比值，见图3-1所示。 （3）有效相对密度单位体积的可渗透材料(材料体积除去被沥青渗透的空隙)在规定温度在空气中的质量对相同体积同一密度的无气蒸馏水在规定温度在空气中的质量的比值，见图3-1所示。图3-1 集料密度分析 集料间隙率VMA、有效沥青含量空隙率及沥青填隙率VFA的定义为： （1）矿质集料间隙率VMA压实铺路混合料集料 颗粒间的空隙体积率，包括空隙率与有效（未被 集料吸收）沥青体积率，见图3-2所示。 （2）有效沥青含量铺路混合料沥青总含量减去被 集料颗粒吸收的部分沥青。 （3）空隙率在压实铺路混合料中被(沥青)涂覆 集料颗 粒间的空气

44、小穴总体积，表示为压实 铺路混合料的毛体积百分率，见图3-2所示。 （4）沥青填隙率VFA被有效沥青填充的集料颗 粒间空隙体积百分率，表示为（VMA）对 VMA的比值，见图3-2所示。 Vma=集料中空隙体积 Vmb=压实混合料毛体积 Vmm=铺路混合料中无空隙体积 Vfa=沥青填充空隙体积 Va =空隙体积 Vb=沥青体积 Vba=被吸收沥青体积 Vsb=矿质集料体积（按毛体积相对密度） Vse=矿质集料体积（按有效相对密度） 图3-2 HMA压实时间成分图解 3.1.3 马歇尔试验方法的程序改进 为了进一步提高沥青混合料设计质量，在我国现行马歇尔设计基础上，结合美国Superpave设计思

45、想，引进集料有效比重概念及混合料短期老化的方法，对马歇尔设计方法最佳集料级配选择从程序上和计算方法上进行改进和补充。 3.1.3.1 根据拟设计的混合料类型，与各料堆集料及填料的颗粒组成，按是试配组合成三种试验级配，一组级配位于规定范围的中值附近，另外两组级配接近级配范围的上、下限。按关键筛孔236mm、475mm与0075mm的通过率进行控制。例如AC13的4.75mm筛通过率均在中值6控制，三种级配0075mm通过率均在中值左右。确定中、粗、细每一种试验级配混合料组合集料的毛体积比重Gsb 与视比重 Gsb 。 (31)式中： p1，p2 ，pn 各种集料组分的质量百 分率 p1 + p2

46、 +，+ pn =1000 G1，G2 ， Gn 各种集料组分的视比 重（毛体积比重） 3.1.3.2 选择混合料初始沥青含量初试沥青含量L应接近最佳沥青含量。用下式计算： pbt=1.18+0.982(VMA-Va)Gsb （3-2） 式中：pbi 初始沥青含量，按混合料质量百分率 计，%； VMA 压实混合料集料间隙率，先可用规 定的最小值 +05估算，在按试验结 果校正。其最小值可参考表3-2 Va 压实混合料空隙率，可取设计空隙率4 ； Gsb 混合料集料组合毛体积重。 表3-2 3.1.3.3 将拌和好的试样放入烘箱在拟订的压实温度平均值保持2小时进行短期老化，然后进行制件 。集料标

47、称最大尺寸（mm） 26.5191613.29.5VMA最大值12.013.013.514.015.0 3.1.3.4 试件被压实冷却后，将其脱模，测定试件毛体积比重Mmb 。 并用下列公式计算压实混合料的空隙率 Va 、VMA 和VFA。 Va=100（1 GmbGmm） VMA=100 (Gmb ps)Gsb (3-3) VFA=100 (VMA Va)VMA 式中：ps 混和料集料百分率 Gsb 组合集料毛体积比重 Gmb 压实试件毛体积比重 Gmm 混和料理论最大比重 还要根据试验结果计算组合集料的有效比重Gse： Gse=Ps (100 Gmm Pb Gb) (3-4) 式中： Gm

48、m 混和料理论最大比重 Pb 混和料中集料百分率，Ps=100 Pb Gb 沥青结合料比重 根据确定的Gse 计算集料吸收沥青百分率Pba （) Pba=(Gse Gsb) PsPb(GseGsb) (3-5) 并获得有效沥青含量 Pbe与粉油比DP：Pbe = PbPba ，粉胶比DP=P0.075/Pbe3.1.3.5试验结果分析 对三种试验级配混和料进行评价：其中VMA、VFA、粉胶比、马歇尔稳定度与流值均符合设计要求，空隙率又接近4设计值的一种级配，被确定为最佳级配或设计级配。 3 .1.4 沥青混和料设计指标的修订和补充 按照有关规范要求，并结合工程实践成果，对沥青混和料的体积参数和

49、技术要求指标见表3-3。 密级配沥青混合料设计技术指标 表3-3 技术指标技术要求击实次数（次）双面各75次空隙率VV（%）4.00.5矿料间隙率VMA（%）14.0沥青饱和度VFA（%）6575粉胶比DP0.81.6马歇尔稳定度（KN）8.0流值（0.1mm）2050残留稳定度（%）80%冻融劈裂强度比TSR（%）80%60动稳定度DS（次/mm）8003.1.5 沥青混合料设计生产调整程序目标配合比设计不合格热料仓筛分，合成级配检验热料合成级配试生产沥青混合料试生产取样制件，体积参数正式投入生产不合格试验路生产3.2 工程设计级配确定方法与调整原则 沥青路面施工技术规范（JTG F4020

50、04）在沥青混合料矿料级配选择与调整方面，根据“沥青混合料矿料级配和配合比设计方法的修订”课题研究成果，借鉴美国和日本等国的方法，提出了工程设计级配的概念，对最常用的密级配沥青混合料分为粗型和细型，它与原规范根据空隙率分为型和型的性质不同，粗型和细型都属于密级配，空隙率都在3%6%之间，之所以这样分成两种型号，主要是供不同的气候和交通条件选择级配范围时作参考，并要求设计单位和工程建设单位针对所建设工程的气候条件、交通条件、公路等级以及所处层位确定和调整工程设计级配。相比原规范直接为工程确定一个级配范围，配合比设计尽可能接近中值有了很大改进。现行规范给出了几种类型沥青混凝土与沥青碎石混合料矿料级

51、配，列于表3-4 与表3-5 。密级配沥青混凝土混合料矿料级配范围 表3-4 密级配沥青碎石混合料矿料级配范围 表3-5 由上述两表可以看出，规范规定级配范围较宽，这样同一级配的上限与下限所拌混合料会有较大的差别。所以，在设计时可根据需要将目标级配线靠上一点，使混合料总的偏细一些，即成所谓的细型密级配（AC-F）；或靠下一点，使混合料总的偏粗一些，即成所谓粗型密级配（AC-C）。在这种情况下，给施工单位的生产级配范围需作必要的调整，而不能完全就将规范原来的级配给施工单位。在级配设计时，尤其要注意控制几个关键筛孔的通过率，即4.75mm和2.36mm两个筛孔。规范给出了粗型和细型密级配沥青混凝土

52、的关键性筛孔通过率。见表3-6 粗型和细型密级配沥青混凝土的关键性筛孔通过率 表3-6 混合料类型公称最大粒径（mm）用以分类的关键性筛孔（mm）粗型密级配细型密级配名称关键性筛孔通过率（%）名称关键性筛孔通过率（%）AC-2526.54.75AC-25C40AC-20194.75AC-20C45AC-16162.36AC-16C38AC-1313.22.36AC-13C40AC-109.52.36AC-10C45 沥青混合料的设计级配应处于规范规定的级配范围内，根据公路等级、工程性质、气候条件、交通条件、材料品种，通过对条件大体相当的工程使用情况进行调查研究后调整确定，必要时允许超出规范的级

53、配范围。密级配沥青稳定碎石混合料可直接以规范规定的级配范围做工程设计级配范围使用。工程设计级配范围的确定应遵循以下原则： 首先按规范确定采用粗型（C型）或细型（F型）的混合料对夏季温度高、高温持续时间长，重载交通多的路段，宜采用粗型密级配沥青混合料（ACC型），并取较高的设计空隙率。对冬季温度低、且低温持续时间长的地区，或者重载交通较少的路段，宜采用细型密级配沥青混合料（ACF型），并取较低的设计空隙率。 为确保高温抗车辙能力，同时兼顾低温抗裂性能需要，配合比设计时宜适当减少公称最大粒径附近的粗集料用量，减少0.6mm以下部分细粉的用量，使中等粒径集料较多，形成S型级配曲线，并取中等偏高水平的

54、设计空隙率。 确定各层的工程设计级配范围时应考虑不同层位的功能需要，经组合设计的沥青路面应能满足耐久、稳定、密水、抗滑的要求。 根据公路等级和施工设备的控制水平，确定的公称设计级配范围应比规范级配范围要窄，其中4.75mm和2.36mm通过率的上下限差值宜小于12%。 沥青混合料的配合比设计应当充分考虑施工性能，使沥青混合料容易摊铺和压实，避免造成严重的离析。 在多雨潮湿地区，重交通或渠化交通情况下，一般多采用粗型密级配并配制成S型级配曲线。同时，应尽量避免级配曲线穿越级配禁区（0.32.36间的三角区）。 3.3 工程设计级配试验确定的工程实例 2009年，江西省九江至景德镇高速公路路面大修

55、改造工程为确定和调整沥青面层工程设计级配，进行了详细的调查研究，并就工程设计级配与规范级配进行了系统的性能对比试验。 江西地区的自然气候处于较为特殊气候区域。夏季炎热，冬季冷，温差较大，且属于多雨地区（年降雨量在1000毫米以上）。随着区域经济的发展，全市国省道干线公路的交通流量增长较快，而且，重载交通所占比例逐年加大，这就对干线公路沥青路面使用质量提出了更高的要求。在国省道干线公路大修改 造工程中，沥青混合料设计级配的选择和使用通常是套用规范AC类密级配范围的中值。 由于规范的级配范围是针对全国不同地区、不同气候等提出来的，因而级配范围比较宽，同时，规范AC类密级配沥青混凝土中，粗集料往往是

56、处于悬浮状态的，因而当用于沥青路面表面时高温稳定性和抗滑性能存在不足，其使用质量难以取得良好效果。因此，如何选择和使用具有适宜的空隙率，渗水性小，有较好的高温稳定及较大的构造深度的工程设计级配，这是确保沥青混合料使用质量、提高路面使用寿命的有效途径之一。 针对江西地区自然气候以及路用材料资源的特点，在调查和总结本地区多年来干线公路建设的经验和教训的基础上，结合和参考国内有关单位和省区（交通部公路研究所、江苏省等）的科研成果和实践经验，我们提出了适合于本地区国省道干线公路沥青路面表层工程设计级配范围（见表3-7）。 所推荐的工程设计级配具有如下特点： （1）采用粗型密级配，即关键性控制筛孔2.3

57、6（mm）通过率40%。 （2）适当减少靠近最大粒径的粗集料与细集料中较细部分的比例。 表3-7 （3）控制矿粉比例，适当增加中间档次的粗集料（510mm）的比例，形成平坦的S型曲线，达到具备嵌挤密型结构级配。 根据课题研究内容安排，我们选用规范AC-13I型级配与本课题推荐的工程设计级配进行沥青混合料各项性能指标的系统室内对比试验，并选取国道107驻马店南关桥黄山道班段（长7.2KM）大修改造工程作为试验路段，验证推荐工程设计级配的适用性。 3.3.1 最佳级配的选择 根据试验路施工现场来料的筛分结果，对AC-13I型与工程设计级配范围分别配制三种级配方案，分别代表两种级配范围内的粗、中、细

58、三种状况，其级配计算结果如表3-8、表3-9和图3-3、图3-4所示。 对上述配制的级配，按下列计算混合料的初试沥青用量Pbi， Pbi=1.18+0.982(VMAVa)Gsb (3-6) 式中：Pbi 初试沥青含量，按混合料质量计， %； VMA 压实混合料集料间隙率，取14.5%。 Va 压实混合料空隙率，可取设计空隙率4%； 工程设计级配范围合成级配 表3-8 图 3-3 工程设计级配范围的级配曲线图 AC-13I合成级配 表3-9 计算可得：Pbi=5.1%。采用该沥青用量对每种级配至少制备3个合格的马歇尔试件，混合料的拌和温度为165，成型温度为155160，且试件制备前应放入烘烤

59、箱在压实温度保持2小时进行短期老化。同时按真空法实测最大理论相对密度Gmm，采用表干法测定试件的毛体积相对密度Gsb、Pbe以及DP等体积参数。 VV=100(1GmbGmm) VMA=100 (GmbPsGsb) (3-7) VFA=100(VMA VV) VMA 式中：Ps 混合料中集料百分率 Gsb 组成集料毛体积比重 Gmb 压实试件毛体积比重 Gmm 混合料理论最大比重 还要根据试验结果计算组合集料的有效比重Gse。 Gse=Ps(100GmmPhG (3-8) 式中：Gmm 混合料理论最大比重 Pb 沥青含量，以混合料质量计； Ps 混合料中集料百分率，Ps=100- Pb。 根据

60、确定的Gse，计算集料吸收沥青百分率Pb Pba=(Gse Gsb)Ps Pb(Gse Gsb) （3-9）并获得有效沥青含量Pbe（%）与粉胶比DP Pbe=Ph Pba （3-10） 粉胶比：DP=P0.075Ph （3-11 ） 式中： P0.075 0.075筛通过率，按集料质量计； Pbe 有效沥青含量，按混合料质量计。 各种级配的混合料的体积参数计算结果如表3-10、表3-11。按照最佳级配确定原则，即VMA、VFA、粉胶比、马歇尔稳定度与流值均符合设计要求，空隙率又接近4%设计值的一种级配，被确定为最佳级配或设计集料级配。因此可知，对于工程设计级配范围，选取Blend2为最佳级配